DE3229906A1 - Process and apparatus for the combustion of fuels - Google Patents
Process and apparatus for the combustion of fuelsInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung Process and device for incineration
von Brennstoffen Die Erfindung bezieht sich auf die Vervollkommnung eines Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoffen zwecks Erhitzung von Arbeitsmedien sowie auf Vorrichtungen für seine Durchführung. of fuels The invention relates to perfection a process for the combustion of fuels for the purpose of heating working media as well as devices for its implementation.
Die Erfindung kann auf beliebigen Gebieten der Technik eingesetzt werden, wo Energie verbraucht wird, die sich bei der Verbrennung von Brennstoff entwickelt.The invention can be used in any field of technology be where energy is consumed in burning fuel developed.
Die Verbrennung organischer Brennstoffe stellt den Basisprozeß der modernen Technik dar. Durch die sich während dieses Prozesses entwickelnde Energie wird der größte Teil des Bedarfs an Wärme, Elektroenergie und mechanischer Arbeit gedeckt. Die überwiegende Mehrzahl von technologischen Prozessen in der Industrie, der Landwirtschaft, im Bau-und im Transportwesen wird mit Energie versorgt, die sich bei Verbrennung von Brennstoffen entwickelt. Bittere Erfahrungen des letzten Jahrzehntes sind allen gut bekannt: wenn Brennstoff teuerer wird, wird alles teuerer. Dieser Umstand sowie die Bschränktheit der Lagerstätten organischer Brennstoffe, die aus dem Erdinneren in rationellen Verfahren gefördert werden können, stellen der Menschheit eines der akutesten globalen Probleme: die Suche nach alternativen Varianten der heutigen technischen Entwicklung, wenn sich der Verbrauch von Brennstoffen in der Welt alle 12 - 15 Jahre verdoppelt. Neben der Entwicklung qualitativ neuer Energiequellen (atomaren und thermonuklearen) ist heute aktuell und bleibt offensichtlich noch längere Zeit das erstrangige Problem bestehen, die Energie organischer Brennstoffe optimal zu nutzen.The burning of organic fuels is the basic process of the modern technology. Through the energy evolving during this process becomes the largest part of the demand for heat, electrical energy and mechanical work covered. The vast majority of technological processes in industry, The agriculture, construction and transportation sectors are powered by the develops when fuels are burned. Bitter experiences of the last one Decades are well known to everyone: when fuel becomes more expensive, everything becomes more expensive. This fact and the limited nature of the organic deposits Fuels that can be extracted from the earth's interior using rational processes, pose one of the most acute global problems for mankind: the search for alternatives Variants of today's technical development, when the consumption of fuel doubled in the world every 12-15 years. In addition to developing new quality Energy sources (atomic and thermonuclear) is current today and remains evident For a long time the primary problem persists, the energy of organic fuels to use optimally.
Allgemein bekannt ist, daß sämtliche Arten von Brennstoffen hauptsächlich in Flammenöfen verbrannt werden. Dieses Verfahren ist ausreichend effektiv, und deswegen ist es sowohl in der Wärmeenergieversorgung als auch in verschiedenen technologischen Prozessen, wie der Erdölverarbeitung und dem Glasschmelzen, umfassend verbreitet.It is well known that all types of fuels are mainly be burned in flame ovens. This method is sufficiently effective, and therefore it is both in thermal energy supply and in various technological Processes such as petroleum processing and glass melting are widely used.
Der Flammenverbrennung haften jedoch ernsthafte Mängel an.However, there are serious defects inherent in flame combustion.
Gasförmige und flüssige Brennstoffe verbrennen in Flammenöfen bei einer Temperatur von 1470 - 1870 K. Dabei entstehen heiße Verbrennungsgase, die ihre Wärme. einem Arbeitsmedium oder einem Wärmeträger oder einem Stoff abgeben, der bearbeitet wird. Es ist jedoch nicht immer eine Temperatur erforderlich, die Tausend Grad übersteigt, um Verbrennungsgase mit mäßiger Temperatur zu bekommen, doch dafür muß man Brennstoffe mit einem großen Überschuß an Luft (d, von 1,2 bis 4) verbrennen oder das Heißgas mit kalter Luft verdünnen. Außerdem geht Wärme auch in einer Verbrennungskammer, in einem Wärmeaustauscherund in einem Ekonomiser verloren. Hierdurch beträgt der Ausnutzungskoeffizient von Brennstoff durchschnittlich in allen Wirtschaftszweigen nur 0,3 - 0,4.Gaseous and liquid fuels burn in flame stoves a temperature of 1470 - 1870 K. This creates hot combustion gases that their warmth. release a working medium or a heat transfer medium or a substance, that is being processed. However, a temperature is not always required that Exceeds a thousand degrees to get combustion gases of moderate temperature, but for this one must use fuels with a large excess of air (d, from 1.2 to 4) burn or dilute the hot gas with cold air. In addition, heat is also possible in a Combustion chamber, in a heat exchanger and in one Economists lost. As a result, the utilization coefficient of fuel is average in all branches of the economy only 0.3 - 0.4.
Der zweite schwerwiegende Nachteil der Verbrennung von Brennstoff in Flammenöfen besteht in der Bildung von für die Umwelt schädlichen Stoffen: Kohlenmonoxid und Stickstoffoxiden bei einer Temperatur über 1270 K.The second serious disadvantage of burning fuel in flame furnaces consists in the formation of substances harmful to the environment: carbon monoxide and nitrogen oxides at a temperature above 1270 K.
Bekannt ist auch ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer Wirbelschicht inerter Teilchen bei 1100 -1300 K (siehe beispielsweise "Ausgewählte Werke der Konferenz für Wirbelschichtverfahren" von I. F. Davidson und D. L. Keairns "Neuentwicklungen in in der Theorie und Praxis des Wirbelschichtverfahrens", M. "Mir", 1980). Diese Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber den Flammenöfen auf, es gelingt jedoch mit ihrer Hilfe nicht, die Fragen der Erhöhung des Wirkungsgrades von Kesselanlagen entscheidend zu lösen und die Ausscheidung giftiger Komponenten auszuschließen.A method for burning fuel in one is also known Fluidized bed of inert particles at 1100-1300 K (see for example "Selected Works of the Conference on Fluidized Bed Processes "by I. F. Davidson and D. L. Keairns "New developments in the theory and practice of the fluidized bed process", M. "Me", 1980). These methods of burning fuel have a number of effects Advantages over the flame stoves, but it does not succeed with their help, to decisively solve the questions of increasing the efficiency of boiler systems and exclude the excretion of toxic components.
Es scheint offensichtlich, daß die Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärme, die sich bei Verbrennung des jeweiligen Brennstoffs entwickelt, mit der Minimierung der Verluste an Wärme mit den Abgasen zusammenhängt. Es ist ebenfalls offensichtlich, daß minimale Verluste an Wärme mit den Abgasen bei Verbrennung stöchiometrischer Brennstoff-Luft-Gemische, die keinen Überschuß an irgendwelcher Komponente aufweisen, sowie bei Senkung der Temperatur der Abgase auf ein möglichst niedriges Niveau zu beobachten sind.It seems obvious that increasing the efficiency of the Heat that develops when the respective fuel is burned, with the minimization the loss of heat is related to the exhaust gases. It is also evident that minimal losses of heat with the exhaust gases when burning stoichiometric Fuel-air mixtures that do not have an excess of any component, as well as when the temperature of the exhaust gases is reduced to the lowest possible level are watching.
Nachstehend werden die berechneten Größen des Ausnutzungskoeffizienten
der Wärme (t ) bei vorgecebener Temperatur der Abgase (570 K) und dem sich verändernden
Verhältnis Luft: Brennstoff (), sowie bei konstantem X = 1 und sich verändernder
Temperatur der Abgase aufgeführt, Q 1,0 87,9 1,1 86,9 1,3 84,8
Die Bedingen der Verbrennung von Brennstoffen in einer Wirbelschicht fester inerter Teilchen entsprechen diesen Anforderungen nicht, da die Temperatur der Gase am Austritt aus der Wirbelschicht hoch (> 1100 }\) ist. Eine wesentliche Senkung dieser Temperatur (unter 900 K) ist auch wegen der in der Schicht entstehenden Produkte der unvollständigen Verbrennung von Brennstoff (bis 8 % Kohlenmonoxid) nicht möglich, die außerhalb der Schicht endgültig zu verbrennen sind. Dadurch entsteht auch die Notwendigkeit, einen relativ hohen Koeffizient des Luftüberschusses zu (1,1) zu unterhalten.The conditions of the combustion of fuels in a fluidized bed solid inert particles do not meet these requirements, since the temperature the gases at the exit from the fluidized bed are high (> 1100} \). An essential one Lowering this temperature (below 900 K) is also due to the arising in the layer Products of incomplete combustion of fuel (up to 8% carbon monoxide) not possible to burn the outside of the shift for good are. This also creates the need for a relatively high coefficient of excess air to (1,1) to entertain.
Unbefriedigend wird in diesem Fall auch die Aufgabe der Senkung der giftigen Gasbestandteile gelöst. Der Gehalt an Stickstoffoxiden in Gasen, der durch die Temperatur der Verbrennung von Brennstoff in Höhe von 1250 - 1370 K 3 bedingt ist, beträgt 40 - 300 mg/m N02, was die zulässigen Normen erheblich übertrifft.In this case, the task of lowering the level becomes unsatisfactory toxic gas components dissolved. The content of nitrogen oxides in gases that pass through the temperature of the combustion of fuel in the amount of 1250 - 1370 K 3 is 40 - 300 mg / m N02, which significantly exceeds the permissible standards.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff zwecks Verdampfung von Flüssigkeit im inneren Raum einer Wärmeaustauscherrohrschlange aus, die in eine Wirbelschicht aus Teilchen eines dispersen Materials getaucht wird, das einen Katalysator für die Oxydation von Brennstoff,allein oder im Gemisch mit einem inerten Wärmeträger, enthält (siehe US-PS 3 119 378).The method according to the invention is based on a method for combustion of fuel for the purpose of evaporation of liquid in the interior space of a heat exchanger coil which is immersed in a fluidized bed made of particles of a disperse material, a catalyst for the oxidation of fuel, alone or in admixture with an inert heat transfer medium (see US Pat. No. 3,119,378).
Gemäß dem Versuchsmodell wird die Schicht aus dispersem Material in zwei hintereinander liegende Zonen geteilt, wobei in die erste Zone der Katalysator für die Oxydation von Brennstoff und in die zweite der inerte Wärme träger aufgegeben werden, der wärmebeständiger als der Oxydationskatalysator ist. Zwecks Vermeidung der überhitzung des Katalysators wird der ersten Zone ein Brennstoff-Luft-Gemisch zugefährt, das einen wesentlichen überschuß an einer der Komponenten (entweder Brennstoff oder Luft) aufweist und aus diesem Grunde zur Flammenverbrennung nicht fähig ist.According to the experimental model, the layer of disperse material is in two consecutive zones divided, with the catalyst in the first zone abandoned for the oxidation of fuel and in the second the inert heat carrier which is more heat-resistant than the oxidation catalyst. For the purpose of avoidance The overheating of the catalytic converter creates a fuel-air mixture in the first zone supplied that contains a substantial excess of one of the components (either fuel or air) and is therefore incapable of flame combustion.
Nach dem Austritt aus der katalytischen Schicht wird das Heißgemisch, das Produkte der unvollständigen Verbrennung beziehungsweise den freien Sauerstoff enthält, der zweiten Zone der Wirbelschicht zugeführt. In die genannte Zone wird auch die jeweilige knapp vorhandene Komponente (Luft bzw.After exiting the catalytic layer, the hot mixture, the products of incomplete combustion or free oxygen contains, fed to the second zone of the fluidized bed. In the said zone will even the respective scarce component (air or
Brennstoff) eingeführt, und das Gemisch verbrennt endgültig an der Oberfläche der inerten Teilchen bei einer Temperatur von 1250 - 1370 K. Die Bedingungen in der zweiten Zone des Apparates entsprechen vollständig den Bedingungen der Verbrennung von Brennstoffen in einer Wirbelschicht inerter fester Teilchen, wodurch in der Anlage alle oben aufgezählten Nachteile (niedriger Wirkungsgrad sowie eine hohe Konzentration giftiger Komponenten in Ausscheidungen) auftreten.Fuel) introduced and the mixture finally burns at the Surface of the inert particles at a temperature of 1250 - 1370 K. The conditions in the second zone of the apparatus fully correspond to the conditions of combustion of fuels in a fluidized bed of inert solid particles, creating in the Plant all of the disadvantages listed above (low efficiency as well as high Concentration of toxic components in excretions).
Die untere katalytische Schicht im Versuchsmodell dient praktisch nur für eine stabile und gefahrlose Verbrennung in der oberen Wirbelschicht aus inerten festen Teilchen, obwohl sich in dieser Schicht eine beträchtliche Menge von Wärme entwickeln kann.The lower catalytic layer in the experimental model is practical only for a stable and safe combustion in the upper fluidized bed inert solid particles, although in this layer there is a considerable amount can develop from heat.
Die Wahl der oben genannten Verfahrens führung beruht auf der Notwendigkeit, die Überhitzung und Desaktivierung des Katalysators bei Entstehung örtlicher Überhitzungen im Bereich der Oxydation des reichen (6 (riCY 1) Brennstoff-Luft-Gemisches zu vermeiden. Zahlreiche Experimente haben jedoch nachgewiesen, daß die örtlichen Überhitzungen einzelner Katalysatorkörner beziehungsweise Abschnitte des Wirbelschichtvolumens nur dann entstehen, wenn die Qualität der Wirbelschichtbildung unzufriedenstellend ist und die Wärmeableitung schwächer als die Wärmeentwicklung ist. Solche Bedingungen entstehen unter anderem: - bei einer Gasgeschwindiqkeit, die der Geschwindigkeit des Beginns der Wirbelschichtbildung nahe liegt, - bei Einführung von Füllkörpermaterialien, insbesondere feinkörnigen, in die Schicht, die die Bewegung und den Wärmeaustausch zwischen den Katalysatorkörnern beschränken.The choice of the above procedure is based on the need to the overheating and deactivation of the catalyst in the event of local overheating to avoid oxidation of the rich (6 (riCY 1) fuel-air mixture). Numerous experiments have shown, however, that the local overheating individual catalyst grains or sections of the fluidized bed volume arise only when the quality of the fluidized bed formation is unsatisfactory and the heat dissipation is weaker than the heat development. Such conditions arise among other things: - at a gas velocity that is the velocity the beginning of the fluidized bed formation is close, - when introducing packing materials, especially fine-grained, in the layer that allows movement and heat exchange restrict between the catalyst grains.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu entwickeln, die einen maximal hohen Ausnutzungskoeffizient der Wärme, die sich bei der Verbrennung des Brennstoffs entwickelt, ohne Abgabe giftiger Komponenten (Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefeloxiden) in die Atmosphäre mit den Rauchgasen infolge einer Änderung der Technologie der Verbrennung des Brennstoffs und der Konstruktion der Vorrichtung selbst gewährleisten.The invention is based on the object of a method for combustion of fuel as well as to develop a device for its implementation that a maximum high coefficient of utilization of the heat generated during combustion of the fuel developed without releasing toxic components (carbon, nitrogen and sulfur oxides) into the atmosphere with the flue gases as a result of a change fuel combustion technology and device construction guarantee yourself.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffen zur Erhitzung von Arbeitsmedien, gemäß dem ein Gemisch aus einem Brennstoff mit Luft durch einen Wirbelschichtkatalysator der vollständigen Oxydation geleitet wird, erfindungsgemäß ein stöchiometrisches Gemisch des Brennstoffes mit Luft durchgeleitet wird und die Temperatur des Wirbelschichtkatalysators der vollständigen Oxydation durch die Änderung des Verbrauchs an Arbeitsmedium im Bereich von 670 - 1070 K gehalten wird.The problem posed is achieved in that in the method for combustion of fuels for heating working media, according to which a mixture of one Fuel with air through a fluidized bed catalyst of complete oxidation is passed, according to the invention with a stoichiometric mixture of the fuel Air is passed through and the temperature of the fluidized bed catalyst is complete Oxidation by changing the consumption of working medium in the range of 670 - 1070 K is maintained.
Ein solches Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff gewährleistet eine intensive Tieftemperaturoxydation des Brennstoffs unter denBedingungen, bei denen keine giftigen Komponenten der Hochtemperaturverbrennung (Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide) entstehen, und auch einen hohen Wärmeausnutzungskoeffizient bis 90 - 95 %.Such a method of burning fuel is guaranteed intensive low-temperature oxidation of the fuel under the conditions which do not contain toxic components of high temperature combustion (carbon monoxide and Nitrogen oxides), and also a high heat utilization coefficient up to 90-95%.
Zweckmäßigerweise soll der Katalysator der vollständigen Oxydation in Form von sphärischen Granalien mit einem Durchmesser von 0,04 - 0,2 cm mit einer Schüttdichte von 1 - 2 g/cm3 verwendet werden.The catalyst should expediently achieve complete oxidation in the form of spherical granules with a diameter of 0.04-0.2 cm with a Bulk density of 1 - 2 g / cm3 can be used.
Eine derartige Form des Katalysators der vollständigen Oxydation sichert die Minimierung seines Verschleißes durch den Abrieb in der Wirbelschicht, einen ausreichend hohen Wärmeaustauschgrad sowie eine aerodynamische Trennung des Katalysators der vollständigen Oxydation und des jeweiligen festen (pulverartigen) Arbeitsmediums bei der Trocknung.Such a form of the catalyst ensures complete oxidation minimizing its wear and tear the abrasion in the fluidized bed, a sufficiently high degree of heat exchange and an aerodynamic separation of the Catalyst of complete oxidation and the respective solid (powdery) Working medium during drying.
Es ist wünschenswert, eine Wirbelschicht des Katalysators der vollständigen Oxydation mit einer Wirbelschichtzahl nicht unter 3 zu verwenden.It is desirable to have a fluidized bed of the catalyst complete Oxidation with a fluidized bed number not below 3 should be used.
Die Wahl der Wirbelschichtzahl über 3 gewährleistet eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Katalysatorschicht und verhindert die Überhitzung der Granalien bei der Oxydation des stöchiometrischen konzentrierten Brennstoff-Luf-Gemisches.The choice of the number of fluidized beds above 3 ensures high thermal conductivity in the catalyst layer and prevents the granules from overheating during oxidation of the stoichiometric concentrated fuel-air mixture.
Bei der Anwendung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoffen für die Trocknung von Arbeitsmedien soll die Geschwindigkeit der Wirbelschichtbildung des Katalysators der vollständigen Oxydation zweckmäßigerweise gleich der bzw. größer als die Geschwindigkeit des Schwebens von Teilchen des jeweiligen Arbeitsmediums gewählt werden.When applying the process of burning fuels for the drying of working media the speed of the fluidized bed formation should be of the catalyst of complete oxidation is expediently equal to or greater than as the speed of the floating of particles of the respective working medium to get voted.
Eine solche Wahl der Geschwindigkeit der Wirbelschichtbildung des Katalysators der vollständigen Oxydation gewährleistet ein hohes Niveau des Wärmeaustausches zwischen den Katalysatorkörnern und dem zu erhitzenden Arbeitsmedium, wodurch eine thermische überhitzung der Körner des Katalysators der vollständigen Oxydation verhindert und die Verwendung stöchiometrischer konzentrierter Brennstoff-Luft-Gemische ermöglicht werden.Such a choice of the rate of fluidization of the Complete oxidation catalyst ensures a high level of heat exchange between the catalyst grains and the working medium to be heated, whereby a thermal overheating of the catalyst grains prevents complete oxidation and enables the use of stoichiometric concentrated fuel-air mixtures will.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoffen, die ein vertikales Gehäuse, einen Wirbelschichtkatalysator der vollständigen Oxydation, der am gesamten Umfang des vertikalen Gehäuses verteilt ist, ein Gasverteilungsgitter für die Durchleitung von Luft, das das vertikale Gehäuse von unten begrenzt, enthält, erfindungsgemäß im vertikalen Gehäuse ein Sektionsgitter mit einem Durchgangsquerschnitt von 50 - 80 % und mit Öffnungen, die 2 - 10 Durchmesser der Granalien des Katalysators der vollständigen Oxydation ausmachen, horizontal angebracht sind.The problem posed is also achieved in that in one device to carry out the process for the combustion of fuels, the a vertical casing, a fluidized bed catalyst of complete oxidation, which is distributed over the entire circumference of the vertical housing, a gas distribution grille for the passage of air, which limits the vertical housing from below, contains, according to the invention a sectional grille with a passage cross-section in the vertical housing of 50 - 80% and with openings that are 2 - 10 diameter of the granules of the catalyst complete oxidation, are placed horizontally.
Eine solche Konstruktion sichert die Möglichkeit einer effektiven Trocknung verschiedener pulverartiger Materialien, darunter solcher, die in sauerstoffhaltigen Medien, wie beispielsweise Kohle, Sulfidkonzentrate und Erze und anderes mehr instabil sind.Such a construction ensures the possibility of an effective Drying various powdery materials, including those in oxygen Media such as coal, sulfide concentrates and ores and others are more unstable are.
Vorteilhaft können innerhalb des vertikalen Gehäuses röhrenartige Wärmeaustauschflächen an seinem gesamten Umfang angeordnet sein, wodurch die Ausführung der Vorgänge der Erhitzung und Verdampfung von Flüssigkeiten, darunter von Wasser und kohlenstoffhaltigen Flüssigkeiten, gesichert wird.Can advantageously be tubular inside the vertical housing Heat exchange surfaces can be arranged on its entire circumference, making the execution the processes of heating and evaporation of liquids, including water and carbonaceous liquids.
Bei der weiteren Beschreibung wird unter dem Begriff"Brennstoff" ein beliebiger gasförmiger, flüssiger oder fester Stoff verstanden, der chemisch mit Sauerstoff der Luft unter Wärmeentwicklung reagiert.In the further description, under the term "fuel" a Any gaseous, liquid or solid substance understood chemically with Oxygen in the air reacts while generating heat.
Unter dem Begriff "Ausnutzungskoeffizient" wird der Anteil der Wärme verstanden, der für die Erhitzung von Arbeitsmedien abgegeben wird.The term "utilization coefficient" refers to the amount of heat understood, which is given off for the heating of working media.
Unter dem Begriff "Arbeitsmedium" wird ein beliebiger flüssiger, fester oder gasförmiger Stoff verstanden, für dessen Erhitzung, Verdampfung bzw. Phasenumwandlung Wärme verbraucht wird, die sich bei der katalytischen Oxydation von Brennstoff entwickelt.The term "working medium" means any liquid, solid or gaseous substance understood for its Heating, evaporation or phase transition heat is consumed, which is in the catalytic oxidation developed from fuel.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; darin zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff, die erfindungsgemäß zur Trocknung von Arbeitsmedien verwendet wird; Fig. 2 eine Temperaturführung in der Vorrichtung für die Verbrennung von Brennstoff in Fig. 1; Fig. 3 eine Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff, die erfindungsgemäß zur Erhitzung und Verdampfung von Flüssigkeiten eingesetzt wird; und Fig. 4 eine Temperaturführung in der Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff in Fig. 3.The invention is explained below with the aid of exemplary embodiments Explained with reference to the drawings; 1 shows a device for the combustion of fuel, according to the invention for the drying of working media is used; 2 shows a temperature control in the device for the combustion of fuel in Figure 1; 3 shows a device for burning fuel, which is used according to the invention for heating and evaporating liquids; and FIG. 4 shows a temperature control in the device for burning fuel in Fig. 3.
Die Vorrichtung zur Verbrennung von Brennstoff und Erhitzung eines Arbeitsmediums (Fig. 1) weist erfindungsgemäß ein vertikales Gehäuse 1 auf, das von unten mit einem Gasverteilungsgitter 2 mit einem Durchgangsquerschnitt von 2 - 5 % begrenzt wird. Innerhalb des vertikalen Gehäuses 1 ist horizontal ein Sektionsgitter 3 angeordnet, das einen Durchgangsquerschnitt von 50 - 80 % und öffnungen mit einer Größe von 2 - 10 Durchmesser der Granalien des Wirbelschicht-Katalysators 4 der vollständigen Oxydation aufweist, der am gesamten Umfang des vertikalen Gehäuses 1 verteilt ist. Der Katalysator 4 der vollständigen Oxydation hat die Form von sphärischen Granalien mit einem Durchmesser von 0,04 - 0,2 cm mit einer Schüttdichte von 1 - 2 g/cm3 Die Katalysatoren 4 der vollständigen Oxydation von Brennstoffen weisen Oxide der Metalle der Nebenuntergruppen I-VIII Gruppen des Periodensystems auf, die auf mechanisch feste sphärische Granalien eines keramischen Trägers auf der Grundlage von Aluminium-, Eisen- und Siliziumoxiden oder Alumosilikaten mit einer spezifischen Oberfläche von 10 - 200 m2/g mit einem Schüttgewicht von 0,6 - 0,9 g/cm3 aufgetragen sind; der Gehalt der aktiven Komponenten an Oxiden beträgt 5 - 30 Masse % des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation. Als aktive Komponenten können sowohl individuelle Oxide der genannten Metalle als auch ihre Gemische oder Verbindungen miteinander oder mit dem Stoff des Trägers verwendet werden.The device for burning fuel and heating a Working medium (Fig. 1) according to the invention has a vertical housing 1 which from below with a gas distribution grille 2 with a passage cross-section of 2 - 5% is limited. Within the vertical housing 1 is a sectional grille horizontally 3 arranged, which has a passage cross-section of 50 - 80% and openings with a Size of 2 - 10 diameter of the granules of the fluidized bed catalyst 4 of the has complete oxidation, the entire circumference of the vertical housing 1 is distributed. The complete oxidation catalyst 4 is spherical in shape Granules with a diameter of 0.04 - 0.2 cm with a bulk density of 1 - 2 g / cm3 The catalysts 4 of the complete oxidation of fuels show oxides of the metals of sub-subgroups I-VIII groups of the periodic table on which on mechanically solid spherical granules of a ceramic carrier based on aluminum, iron and silicon oxides or aluminosilicates a specific surface of 10 - 200 m2 / g with a bulk density of 0.6 - 0.9 g / cm3 are applied; the content of the active components of oxides is 5 - 30% by mass of the catalyst 4 of the complete oxidation. As active components can be both individual oxides of the metals mentioned and their mixtures or Connections with each other or with the fabric of the wearer can be used.
Im Arbeitszustand füllt die Wirbelschicht der Granalien des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation das in sie getauchte Sektionsgitter 3 aus und bildet zwei Zonen der Wirbelschicht unter dem Sektionsgitter 3 und über ihm. Die Höhe der unteren Zone wird so gewählt, daß der Prozeß der katalytischen Oxydation von Brennstoff und die Bindung des Luftsauerstoffs in dieser Zone vollendet werden (üblicherweise beträgt die Höhe der unteren Zone 0,2 - 0,6 m).In the working state, the fluidized bed fills the granules of the catalyst 4 of the complete oxidation, the sectional grid 3 immersed in it and forms two zones of the fluidized bed below the sectional grid 3 and above it. The high of lower zone is chosen so that the process of catalytic oxidation of fuel and the binding of atmospheric oxygen in this zone can be completed (usually the height of the lower zone is 0.2-0.6 m).
In Fig. 2 ist die Temperaturführung in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, gibt es zwei isothermische Zonen: die untere Zone mit einer Temperatur, die für die vollständige Oxydation von Brennstoff erforderlich ist, üblicherweise von 670 - 1070 K, und die obere Zone mit einer Temperatur, die durch die Bedingungen der Erhitzung des Arbeitsmediums 5 bestimmt wird und etwa 420 - 770 K beträgt. Der Abschnitt der übergangstemperatur entfällt auf den Teil des Volumens, das von dem Sektionsgitter 3 (Fig. 1) eingenommen wird.In FIG. 2, the temperature control in the device according to FIG. 1 shown. As can be seen from Figure 2, there are two isothermal zones: the lower zone with a temperature necessary for the complete oxidation of fuel is required, usually from 670 - 1070 K, and the upper zone with a temperature which is determined by the conditions of the heating of the working medium 5 and approximately 420 - 770 K. The section of the transition temperature is attributable to the part of the volume that is occupied by the sectional grid 3 (Fig. 1).
Die Wärmeableitung aus der oberen Zone der Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständiqen Oxydation erfolgt in der Vorrichtung in Fig. 1 durch die Zuführung des zu erhitzenden Arbeitsmediums, beispielsweise eines feuchten Pulvermaterials aus dem Bunker 6 durch eine Dosiervorrichtung, beispielsweise einen Schneckenaufgeber 7, unmittelbar auf den Spiegel der Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation. Die erforderliche Bedingung für den Betrieb der Vorrichtung ist die aerodynamische Trennunq des Katalysators 4 und der eingeführten festen Teilchen des Arbeitsmediums 5. Die Korngröße und Dichte des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation und des Arbeitsmediums 5 sollen konkret so gewählt werden, daß die Geschwindigkeit des Mitreißens der Teilchen des Arbeitsmediums 5 um das 2 - 3fache niedriger als die Geschwindigkeit des Mitreißens der Granalien des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation ist. Dabei werden die Teilchen des Arbeitsmediums 5 aus dem vertikalen Gehäuse 1 herausgetragen, in einem Wirbelabscheider 8 niedergeschlagen und vom Strom der Rauchgase getrennt.The heat dissipation from the upper zone of the fluidized bed of the catalyst 4 of the complete oxidation takes place in the device in FIG. 1 through the feed of the working medium to be heated, for example a moist powder material from the bunker 6 through a metering device, for example a screw feeder 7, directly on the level of the fluidized bed of the catalyst 4 of the complete Oxidation. The necessary condition for the operation of the device is aerodynamic Separation of the catalyst 4 and the introduced solid particles of the working medium 5. The grain size and density of the catalyst 4 of the complete oxidation and des Working medium 5 should specifically be chosen so that the speed of entrainment of the particles of the working medium 5 by 2 - 3 times lower than the speed the entrainment of the granules of the catalyst 4 is complete oxidation. The particles of the working medium 5 are carried out of the vertical housing 1, precipitated in a vortex separator 8 and separated from the flow of flue gases.
Das Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff wird in der Vorrichtung wie folgt, durchgeführt: Katalysator 4 der vollständigen Oxydation (Fig. 1) wird im Gehäuse 1 in einem beliebigen konventionellem Verfahren auf 520 K erwärmt. Zum Anfahren der Vorrichtung genügt es, lediglich einen Teil des Volumens des Katalysators 4 zu erwärmen, das an dem Gasverteilungsgitter 2 und an der Vorrichtung 9 für die Einführung und Verteilung von Brennstoff anliegt. Unter das Gitter 2 wird Luft für die Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation und durch die Vorrichtung 9 Brennstoff, beispielsweise flüssiger Brennstoff mit der Siedetemperatur von 470 - 620 K, zugeführt. Bei einer intensiven Oxydation des Brennstoff-Luft-Gemisches und bei der Wirbelschicht des Katalysators 4 steigt die Temperatur auf die Arbeitstemperatur im Bereich von 670 - 1070 K an, wonach man die Zuführung des flüssigen Brennstoffes mit dem Siedepunkt von 470 - 620 K abschaltet, durch die Vorrichtung 9 ein gasförmiges, flüssiges oder festes Arbeitsmedium zuführt und im weiteren ein stöchiometrisches Gemisch aus Brennstoff mit Luft durch die Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation durchläßt.The process of burning fuel is carried out in the device carried out as follows: Catalyst 4 of the complete oxidation (Fig. 1) is heated in housing 1 to 520 K in any conventional method. To the Starting up the device, it is sufficient to only use part of the volume of the catalytic converter 4 to heat that on the gas distribution grid 2 and on the device 9 for the Introduction and distribution of fuel is pending. Under the grille 2 there is air for the fluidized bed of the catalyst 4 of complete oxidation and through the device 9 Fuel, e.g. liquid fuel with a boiling point of 470 - 620 K, supplied. In the case of intensive oxidation of the fuel-air mixture and at the In the fluidized bed of the catalyst 4, the temperature rises to the working temperature in the range of 670 - 1070 K, after which the feed of the liquid fuel with a boiling point of 470 - 620 K switches off the device 9 supplies a gaseous, liquid or solid working medium and in addition, a stoichiometric mixture of fuel with air through the fluidized bed of the catalyst 4 allows complete oxidation.
Dem oberen Teil des vertikalen Gehäuses 1 wird aus dem Bunker 6 durch den Schneckenaufgeber 7 pulverartiges Arbeitsmedium 5 zugeführt, wobei die Verbrauchsmenge darin so eingestellt wird, daß die Temperatur in der oberen Zone der Wirbelschicht des Katalysators 4 420 - 770 K und in der unteren Zone unter dem Sektionsgitter 3 eine Höhe von 670 - 1070 K erreicht.The upper part of the vertical housing 1 is from the bunker 6 through the screw feeder 7 is supplied with powder-like working medium 5, the consumption quantity is adjusted therein so that the temperature in the upper zone of the fluidized bed of the catalytic converter 4 420 - 770 K and in the lower zone under the sectional grille 3 reaches a height of 670-1070 K.
Eines der wichtigsten Probleme, die bei katalytischer Oxydation konzentrierter Brennstoff-Luft-Gemische entstehen, ist die Suche nach technologischen Betriebsführungen, bei denen keine bedeutenden Überhitzungen der Granalien des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation und der begrenzten Abschnitte in der Wirbelschicht des Katalysators 4 erfolgen, die zu seiner Desaktivierung führen. Die Wichtigkeit dieses Problems wird durch folgende Angaben veranschaulicht: 1) Die Temperatur der adiabatischen Erhitzung bei Verbrennung von stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemischen beträgt für die meisten Brennstoffarten über 2300 K.One of the main problems encountered in catalytic oxidation is more concentrated Fuel-air mixtures arise, is the search for technological management, in which no significant overheating of the granules of the catalyst 4 of the complete Oxidation and the limited sections in the fluidized bed of the catalyst 4 which lead to its deactivation. The importance of this problem becomes illustrated by the following: 1) The temperature of the adiabatic heating for the combustion of stoichiometric fuel-air mixtures is for most types of fuel over 2300 K.
2) Moderne feste Katalysatoren auf der Grundlage von Metalloxiden sind bis 1000 - 1200 K thermisch beständig. 2) Modern solid catalysts based on metal oxides are thermally resistant up to 1000 - 1200 K.
Demzufolge ist offensichtlich, daß bei Entstehung sogar von kurzzeitigen Störungen der Wärmeableitung in der Schicht des Katalysators 4 dieser Umstand zu einer nicht umkehrbaren Desaktivierung eines Teils des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation führt. Deshalb wurde bei der Entwicklung dieses Verfahrens besonderes Augenmerk der Suche von Bedingungen gewidmet, bei denen eine derartige nicht umkehrbare Desaktivierung nicht zustandekommen kann. Hence it is obvious that even when it arises from brief disturbances of the heat dissipation in the layer of the catalyst 4 of this Circumstance of irreversible deactivation of part of the catalyst 4 complete oxidation. That is why when developing this process particular attention is devoted to the search for conditions in which such irreversible deactivation cannot occur.
Diese Aufgabe wird durch die Bildung einer Wirbelschicht des Katalysators 4 in der unteren Zone des Gehäuses 1 bei Lineargeschwindigkeiten (Wirbelschichtzahlen) gelöst, die mindestens um das 3fache die Geschwindigkeit des Beginns der Wirbelschichtbildung der Granalien des Katalysators 4 übersteigen. Unter den genannten Bedingungen ist die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung in der Schicht so hoch, daß keine wesentliche Überhitzung und Desaktivierung des Katalystors 4 der vollständigen Oxydation beobachtet werden.This task is accomplished by forming a fluidized bed of the catalyst 4 in the lower zone of the housing 1 at linear speeds (fluidized bed numbers) solved, which is at least 3 times the speed of the beginning of the fluidized bed formation the granules of the catalyst 4 exceed. Under the stated conditions is the rate of heat transfer in the layer is so high that it is not significant Overheating and deactivation of the catalyst 4 of the complete oxidation observed will.
Der Einsatz des Sektionsgitters 3 verringert die Wärmeleitfähigkeit der Wirbelschicht von 10000 - 20000 W/m.K in der freisiedenden Schicht auf 200 - 500 W./m.K in der Wirbelschicht, die mit dem Sektionsgitter 3 mit den genannten Parametern versehen ist. Die Senkung der Wärmeleitfähigkeit der Wirbelschicht wird durch die Bremsung von Granalien in den Zellen des Sektionsgitters 3 bestimmt. Bei einem solchen Niveau der Wärmeleitfähiqkeit der Wirbelschicht im Sektionsgitter 3, der Wärmeentwicklung in der unteren Zone der Vorrichtung und der Wärmeableitung in der oberen Zone der Vorrichtung wird ein wesentliches Temperaturgefälle im Sektionsgitter bis auf 20 - 100 K/cm, bezogen auf die Höhe des Sektionsgitters 3, beobachtet, was auch die Möglichkeit der Realisierung einer nichtisothermischen Temperaturführung in der Vorrichtung für die Verbrennung von Brennstoff (Fig. 2) bestimmt.The use of the sectional grille 3 reduces the thermal conductivity the fluidized bed from 10,000 - 20,000 W / m.K in the free-boiling layer to 200 - 500 W./m.K in the fluidized bed, which with the sectional grid 3 with the mentioned Parameters is provided. The lowering of the thermal conductivity of the fluidized bed will determined by the braking of granules in the cells of the sectional grid 3. at such a level of thermal conductivity of the fluidized bed in the sectional grid 3, the heat generation in the lower zone of the device and heat dissipation in the upper zone of the device there is a substantial temperature gradient in the sectional grille up to 20-100 K / cm, based on the height of the sectional grid 3, observed what also the possibility of realizing a non-isothermal temperature control determined in the device for the combustion of fuel (Fig. 2).
Die Anwendung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoff und der Vorrichtung für seine Durchführung bei der Bearbeitung eines festen Arbeitsmediums, für die Trocknung eines feuchten dispersen porösen Materials wird durch folgende Beispiele veranschaulicht.The application of the method of burning fuel and the Device for its implementation when processing a solid working medium, for the drying of a moist, dispersed porous material, the following is used Examples illustrated.
Beispiel 1 In ein vertikales Gehäuse 1 mit dem Innendurchmesser von 250 mm, versehen mit einem Gasverkilungsgitter 2 mit einem Durchgangsquerschnitt von 5 % werden 25 kg kugelförmigen Kupfer-Chrom-Katalysatos 4 der vollständigen Oxydation (Kugelgröße beträgt 2 - 2,5 mm, Schüttgewicht 1000 kg/m3) aufgegeben. Die Geschwindigkeit des Beginns der Wirbelschichtbildung mit Rauchgasen bei einer Temperatur von 870 K für diesen Katalysator beträgt 0,9 m/s.Example 1 In a vertical housing 1 with an inner diameter of 250 mm, provided with a gas wedge grid 2 with a passage cross-section of 5%, 25 kg of spherical copper-chromium catalysts 4 are complete Oxidation (sphere size is 2 - 2.5 mm, bulk density 1000 kg / m3) abandoned. The speed of the onset of fluidized bed formation with flue gases at a The temperature of 870 K for this catalyst is 0.9 m / s.
Von unten werden der vorher auf 420 K erhitzten Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation Luft und Brennstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis (d-= = 1,0 - 1,1)zugeführt. Der Luftverbrauch wird so vorgegeben, daß der Katalysator 4 in den Wirbelschichtzustand gebracht wird, und er beträgt 120 Nm3/h. Die Lineargeschwindigkeit des wirbelschichtbildenden Agens im Querschnitt des Gehäuses 1 der Vorrichtung ist dabei gleich 2,2 - 2,8 m/sIm unteren Teil der Wirbelschicht des Katalysators 4 erfolgt eine intensive Wärmeentwicklung infolge der katalytischen Oxydation von Brennstoff. Die Temperatur wird hier in Höhe von 870 K gehalten.The fluidized bed des, which was previously heated to 420 K, is fed from below Catalyst 4 of the complete oxidation of air and fuel in a stoichiometric Ratio (d- = = 1.0-1.1) supplied. The air consumption is specified so that the catalyst 4 is fluidized and it is 120 Nm3 / h. The linear velocity of the fluidizing agent in cross section of the housing 1 of the device is equal to 2.2-2.8 m / s in the lower part of the In the fluidized bed of the catalytic converter 4, intense heat is generated as a result the catalytic oxidation of fuel. The temperature here is equal to 870 K held.
Von oben wird das zu trocknende Material 5, poröses Alumosilikatadsorptionsmittel mit Anfangsfeuchtigkeit von 17 Gew.% in einer Menge von 1000 kg/h der Wirbelschicht zugeführt.From above, the material to be dried 5 becomes a porous aluminosilicate adsorbent with an initial moisture of 17% by weight in an amount of 1000 kg / h of the fluidized bed fed.
Die Korngröße des zu trocknenden Adsorptionsmittels liegt unter 0,04 cm. Die Geschwindigkeit des Schwebens solcher Körnchen des Adsorptionsmittels beträgt 1,2 m/s. Eine intensive Wärmeabnahme in der oberen Zone der Wirbelschicht erfolgt durch Verdampfung von Wasser von der Teilchenoberfläche bei unmittelbarer Berührung mit Granalien des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation. Die realisierten Arbeitsbedngungnermöglichen es, die Trocknung des Materials bei einer Temperatur von 380 - 400 K bis auf eine Endfeuchtigkeit von 3 - 4 Gew.% durchzuführen.The grain size of the adsorbent to be dried is less than 0.04 cm. The speed of levitation such Granules of adsorbent is 1.2 m / s. An intense heat decrease in the upper zone of the fluidized bed occurs by evaporation of water from the particle surface at immediate Contact with granules of catalyst 4 of complete oxidation. The realized Working conditions allow the material to be dried at one temperature from 380 - 400 K down to a final moisture content of 3 - 4% by weight.
Für die Durchführung des Prozesses der Trocknung eines feuchten Materials in dem oben aufgeführten Beispiel ist der Ausnutzungskoeffizient der bei der Verbrennung von Brennstoff zu entwickelnden Wärme gleich 80 %.For carrying out the process of drying a damp material in the example given above, the utilization coefficient is that of combustion heat to be evolved from fuel equals 80%.
Beispiel 2 Der Vorgang erfolgt ähnlich dem Beispiel 1, es wird nur als Material für die Trocknung ein Adsorptionsmittel mit der Anfangsfeuchtigkeit von 35 Gew.% und mit derselben Korngröße verwendet, das in einer Menge von 600 kg/h zugeführt wird. Die Trocknung erfolgt bei einer Temperatur von 393 - 423 K bis auf eine Endfeuchtigkeit von 4 - 5 Gew.%.Example 2 The process is similar to Example 1, only as a material for drying, an adsorbent with the initial moisture content of 35% by weight and with the same grain size, which is used in an amount of 600 kg / h is fed. Drying takes place at a temperature of 393 - 423 K up to a final moisture content of 4 - 5% by weight.
Der Ausnutzungskoeffizient der Wärme ist gleich 90 %. Es ist auch eine andere Variante der Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens für die Verbrennuns von Brennstoff, für die Erhitzung und Verdampfung flüssiger Arbeitsmedien, beispielsweise Wasser, wässeriger Lösungen sowie anderer kohlenstoffhaltiger Lösungen und anderer Medien, möglich.The heat utilization coefficient is 90%. It is also another variant of the application of the method described above for incineration of fuel, for the heating and evaporation of liquid working media, for example Water, aqueous solutions as well as other carbonaceous solutions and others Media, possible.
In diesem Fall wird die Vorrichtung nach Fig. 1 durch eine röhrenartige Wärmeaustauschoberfläche 10 ergänzt, die am gesamten Umfang der Vorrichtung angeordnet wird. Eine solche Vorrichtung für die Verbrennung von Brennstoff ist in Fig. 3 abgebildet. Sie besteht aus einem vertikalen Gehäuse 1, das von unten mit einem Gasverteilungsgitter 2 begrenzt wird, einer Einrichtung 9 für die Zuführung von Brennstoff zur Wirbelschicht des Katalysators 4 der vollständigen Oxydation, einem Sektionsgitter 3, das die Schicht in zwei Zonen, die untere Hochtemperaturzone, wo die katalytische Verbrennung von Brennstoff bei einer Temperatur von 670 - 1070 K erfolgt, und die obere Zone einteilt, wo Rauchgase bei einer Temperatur von 420 - 570 K gekühlt werden, sowie röhrenartigenWärmeaustauschoberflächen 10, innerhalb deren die zu erhitzende Flüssigkeit unterbracht ist. Zweckmäßigerweise soll die Bewegung der Verbrennungsprodukte von unten nach oben und der Flüssigkeit in den Wärmeaustauschflächen von oben nach unten im Gegenstrom erfolgen, was eine intensivere Wärmeübertragung und einen höhreren Wärmeausnutzungskoeffizient in der Vorrichtung gewährleistet.In this case, the device of Fig. 1 by a tubular Heat exchange surface 10 complements, which is arranged on the entire circumference of the device will. Such a device for the combustion of fuel is shown in FIG. It consists of a vertical housing 1, which from below with a gas distribution grille 2 is limited, a device 9 for the supply of fuel to the fluidized bed of the catalyst 4 of complete oxidation, a sectional grille 3, which the layer into two zones, the lower high temperature zone where the catalytic Combustion of fuel takes place at a temperature of 670 - 1070 K, and the divides the upper zone, where flue gases are cooled at a temperature of 420 - 570 K, as well as tubular heat exchange surfaces 10 within which the to be heated Liquid is accommodated. The movement of the combustion products should expediently from the bottom to the top and the liquid in the heat exchange surfaces from the top to the top take place below in countercurrent, which means a more intensive heat transfer and a higher heat transfer Heat utilization coefficient guaranteed in the device.
Das Anfahren der Vorrichtung erfolgt ähnlich, wie es oben für die Erhitzung eines festen Arbeitsmediums beschrieben wurde, lediglich mit dem Unterschied, daß nach Erreichung einer stabilen Betriebsführung der Vorrichtung und eines Bereiches der Arbeitstemperaturen von 670 - 1070 K den röhrenartigen Wärmeaustauschflächen 10 die zu erhitzenden Flüssigkeit zugeführt wird.The start-up of the device is similar to that described above for the Heating of a solid working medium has been described, with the only difference that after achieving stable operation of the device and an area the working temperatures of 670 - 1070 K the tube-like heat exchange surfaces 10 the liquid to be heated is supplied.
In Fig. 4 ist die Temperaturführung in der Höhe der Wirbelschicht des Katalysators 4 in der Vorrichtung nach Fig. 3 abgebildet.In Fig. 4 the temperature control is at the level of the fluidized bed of the catalytic converter 4 shown in the device of FIG.
Wie aus der graphischen Darstellung in Fig. 4 zu ersehen ist, ermöglicht es das Sektionsgitter 3 (Fig. 3), in der Vorrichtung eine nichtisothermische Betriebsführung, die besonders vorteilhaft ist, durchzuführen, da in der unteren Zone die Temperatur in Höhe von 670 - 1070 K, bei der die katalytische Oxydation von Brennstoff intensiv verläuft, und in der oberen Zone die Temperatur in Höhe von 420 -570 K unterhalten werden, was eine effektive Abkühlung der Verbrennungsprodukte und einen hohen Ausnutzungskoeffizient der Wärme des zu verbrennenden Brennstoffes über 90 % gewährleistet.As can be seen from the graph in FIG. 4, this enables it is the sectional grid 3 (Fig. 3), in the device a non-isothermal operation, which is particularly advantageous to carry out because in the lower zone the temperature in the amount of 670 - 1070 K, at which the catalytic oxidation of fuel is intense runs, and in the upper zone the temperature of 420 -570 K, which effectively cools the combustion products and a high utilization coefficient of the heat of the fuel to be burned over 90% guaranteed.
Die Anwendung des Verfahrens zur Verbrennung von Brennstoff und der Vorrichtung für seine Durchführung zwecks Erhitzung und Verdampfung von Flüssigkeiten wird durch nachstehende Beispiele veranschaulicht: Beispiel 1 Als Brennstoff wird Masutheizöl folgender prozentualer Zusammensetzung verwendet: H C S O+N 11,2 87,4 0,5 0,9 10,5 87,6 0,7+1 1,Q Die Verbrennung von Brennstoff erfolgt in der oben beschriebenen Vorrichtung. Das vorher auf 350 K erhitzte Masutheizöl wurde mittels einer Tauchkolbenpumpe zugeführt.The application of the method of burning fuel and the Device for its implementation for the purpose of heating and evaporating liquids is illustrated by the following examples: Example 1 As fuel, Masut heating oil used in the following percentage composition: H C S O + N 11.2 87.4 0.5 0.9 10.5 87.6 0.7 + 1 1, Q The combustion of fuel takes place in the manner described above Contraption. The Masut heating oil, which was previously heated to 350 K, was pumped using a plunger pump fed.
Der Verbrauch an Öl betrug 5,6 kg/h und der an Luft 63 m3/h Der Katalysator der vollständigen Oxydation wurde vorher mit einem elektrischen Heizkörper auf 600 - 700 K erwärmt, wonach man die Zuführung von Dieselkraftstoff vornahm und die Temperatur der Wirbelschicht des Katalysators 4 auf 750 - 800 K gebracht wurde. Bei der Erreichung der genannten Temperatur wurde die Zuführung von Dieselkraftstoff eingestellt, und man begann, Masutheizöl zuzuführen. Bei einer Temperatur von 750 - 800 K erfolgte eine stabile Entflammung von Masutheizöl, und weiter wurde die Temperatur auf 670 - 1070 K gebracht.The consumption of oil was 5.6 kg / h and that of air was 63 m3 / h. The catalyst complete oxidation was previously achieved with an electric heater to 600 - 700 K heated, after which the supply of diesel fuel was carried out and the temperature the fluidized bed of the catalyst 4 was brought to 750-800 K. In achieving The supply of diesel fuel was stopped at the temperature mentioned, and they began to supply Masut heating oil. At a Temperature of 750 - 800 K there was a stable ignition of masut heating oil, and the Temperature brought to 670-1070 K.
Bei den oben genannten Werten des Verbrauchs an Brennstoff und Luft stimmten die nach der Zuführung und nach der chromatographischen Analyse der Abgase berechneten Größen praktisch überein und betrugen K = 1 , 1. Es wurde das Gasgemisch unter der Wirbelschicht des Katalysators 4 analysiert.With the above values of the consumption of fuel and air were correct after the feed and after the chromatographic analysis of the exhaust gases The calculated values practically matched and were K = 1.1. The gas mixture was used analyzed under the fluidized bed of the catalyst 4.
Der Gehalt an Stickstoffoxiden wurde nach bekannten fotokalorimetrischen Methoden unter Einsatz des von-Griess-Ilosvay-Reagens' ermittelt.The content of nitrogen oxides was determined according to known photocalorimetric methods Methods determined using the von-Griess-Ilosvay reagent '.
Die zu beobachtende Zusammensetzung des Gasgemisches ist: CO2 = 13,8 %, O2 = 2,2 %, NOx = 70 ppm, CO nicht über 10-3 %, CH4 nicht über 10-3 %.The composition of the gas mixture to be observed is: CO2 = 13.8 %, O2 = 2.2%, NOx = 70 ppm, CO not above 10-3%, CH4 not above 10-3%.
Bei einer Temperatur der Schicht über 920 K und # >1 wird der in der Zusammensetzung des jeweiligen Brennstoffes enthaltene Schwefel quantitativ zu S03 oxydiert.If the temperature of the layer is above 920 K and #> 1, the in the composition of the fuel in question quantitatively oxidized to S03.
Der Wärmeausnutzungskoeffizient (#) beträgt 92 %.The heat utilization coefficient (#) is 92%.
Beispiel 2 In die Vorrichtung werden 70 1 Katalysator aufgegeben, der 5 % Kupferchromit, Rest #-Al2O3 (Schüttgewicht 0,76 g/cm3) aufweist. Nach der Erhitzung wird folgende Betriebsführung 3 eingestellt: Verbrauch an Luft 60 m /h, an Dieselkraftstoff 6,39 l/h und Wasser in den röhrenartigen Wärmeaustauschflächen 1100 l/h; die Temperatur des Wassers am Eintritt betrug 300 K und am Austritt 345 K. Der Wärmeausnutzungskoeffizient betrug 85 t.Example 2 70 l of catalyst are added to the device, which has 5% copper chromite, remainder # -Al2O3 (bulk density 0.76 g / cm3). After Heating is set to the following management 3: Consumption of air 60 m / h, of diesel fuel 6.39 l / h and water in the tube-like heat exchange surfaces 1100 l / h; the temperature of the water at the inlet was 300 K and at the outlet 345 K. The heat utilization coefficient was 85 t.
Beispiel 3 Ähnlich wie im Beispiel 1, aber der Verbrauch an Luft 3 beträgt 100 m /h,an Brennstoff 10,8 l/h und an Wasser 2025 l/h (arzt t = 380). Die Temperatur in der unteren Zone beträgt 830 K, am Austritt 570 K, der Wärmeausnutzungskoeffizient beträgt 85 %.Example 3 Similar to example 1, but the consumption of air 3 is 100 m / h, fuel 10.8 l / h and water 2025 l / h (doctor t = 380). the The temperature in the lower zone is 830 K, at the outlet 570 K, the heat utilization coefficient is 85%.
Beispiel 4 In die Vorrichtung werden 50 1 Katalysator aufgegeben, der 30 % Kupferchromit und Rest g Al203 (Schüttgewicht gleich 1,1 g/cm3) aufweist. Nach der Erhitzung wird folgende Betriebsführung eingestellt: Verbrauch an Luft beträgt 103 m3/h, an Dieselkraftstoff 9,8 l/h und an Wasser 3400 l/h ( A t = 220). Die Temperatur in der unteren Zone des Reaktors beträgt 895 K und am Austritt 400 K. Der Wärmeausnutzungskoeffizient ist 89 %.Example 4 50 l of catalyst are added to the device, which has 30% copper chromite and the remainder g Al203 (bulk density equal to 1.1 g / cm3). After heating, the following operational management is set: Consumption of air is 103 m3 / h, for diesel fuel 9.8 l / h and for water 3400 l / h (A t = 220). The temperature in the lower zone of the reactor is 895 K and 400 at the outlet K. The heat utilization coefficient is 89%.
Beispiel 5 Ähnlich wie im Beispiel 1, aber der Verbrauch an Luft beträgt 80 m3/h, an Dieselkraftstoff 6,7 l/h, und an Methan 0,0 - 1,3 m3/h. Die Temperatur in der unteren Zone beträgt 900 - 970 K, am Austritt aus der Vorrichtung 770 K. Es wurde kein Methan in den Reaktionsprodukten festgestellt, der Gehalt an C02 im Abgas beträgt 14,2 - 15,0 %.Example 5 Similar to Example 1, but the consumption of air is 80 m3 / h, for diesel fuel 6.7 l / h, and for methane 0.0 - 1.3 m3 / h. The temperature in the lower zone is 900 - 970 K, at the exit from the device 770 K. No methane was found in the reaction products, the content of C02 in the Exhaust gas is 14.2-15.0%.
Beispiel 6 Als Brennstoff wurde Braunkohle mit folgenden Kenndaten verwendet: - Teilchengröße, cm 0,04 - 0,1 - Arbeitsfeuchtigkeit, % 16 - Arbeitsaschegehalt, % 12,3 - Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, bezogen auf die Trockensubstanz, % 37,5 - Gehalt an Stickstoff, bezogen auf die Trockensubstanz, e 0,9 - Gehalt an Schwefel, bezogen auf die Trockensubstanz, % 0,7 Die Verbrennung von Kohle erfolgte in der oben beschriebenen Vorrichtung. Kohle wurde dosiert und dem unteren Teil des Gehäuses 1 mit Drucklufttransport zugeführt.Example 6 Lignite with the following characteristics was used as fuel used: - particle size, cm 0.04 - 0.1 - working humidity,% 16 - working ash content, % 12.3 - content of volatile components, based on the dry substance,% 37.5 - content of nitrogen, based on the dry substance, e 0.9 - content of Sulfur, based on the dry matter,% 0.7 The burn of coal was carried out in the device described above. Coal was dosed and fed to the lower part of the housing 1 with compressed air transport.
Die Erhitzung und die Verbrennung des Brennstoffs mittels Katalysators sowie die Analyse der Abgase erfolgten wie im Beispiel 1, der Verbrauch an Luft betrug 630 m³h und an Kohle 120 kg/h.The heating and combustion of the fuel by means of a catalytic converter and the analysis of the exhaust gases was carried out as in Example 1, the consumption of air was 630 m³h and 120 kg / h of coal.
Der Überschußkoeffizient an Luft wurde nach dem Gehalt der Abgase an Sauerstoff ermittelt und betrug 1,02 -1,1. Stabile Verbrennung von Kohle wurde bei Temperaturen über 770 K beobachtet.The excess coefficient of air was determined by the content of the exhaust gases determined on oxygen and was 1.02-1.1. Stable burning of coal was made observed at temperatures above 770 K.
Die zu beobachtende Zusammensetzung des abgegebenen Gasgemisches war, wie folgt: CO2 18,0 - 19 %, 02 = 0,4 - 2 %, NOx = 80 - 140 mg/m3, CO nicht über 10 %, CH4 nicht über 10 3 %.The observed composition of the released gas mixture was as follows: CO2 18.0 - 19%, 02 = 0.4 - 2%, NOx = 80 - 140 mg / m3, CO not above 10%, CH4 not more than 10 3%.
Der ganze im Brennstoff vorhandene Schwefel wird mit Asche verbunden. Disperse Asche wird mit dem Strom der Abgase entfernt. Die Temperaturführung in der Schichthöhe wird ähnlich wie im Beispiel 4 gehalten.All the sulfur in the fuel is combined with ash. Disperse ash is removed with the flow of exhaust gases. The temperature control in the layer height is kept similar to that in example 4.
Der Wärmeausnutzungskoeffizient (g) beträgt 92 %. Hierdurch kontaktiert das Arbeitsmedium in dem vorgeschlagenen Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff und in der Vorrichtung zu seiner Durchführung eine Wirbelschicht eines Katalysators der vollständigen Oxydation, der fähig ist, den Brennstoff ohne Luftüberschuß bei relativ niedrigen Temperaturen von 700 - 1000 K zu verbrennen. Zur Vermeidung der Überhitzung der Granalien des Katalysators im unteren Teil der Wirbelschicht, welcher ein stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird, gibt es eine freiwirbelnde Zone, in der die Geschwindigkeit des Gasstromes bedeutend (um das 2 - 3fache) die Geschwindigkeit des Beginns der Wirbelschichtbildung der Katalysatorgranalien übersteigt. In dieser Zone erfolgt die katalytische Oxydation der Hauptmasse des Brennstoffs.The heat utilization coefficient (g) is 92%. Contacted by this the working medium in the proposed method for burning fuel and in the device for its implementation a fluidized bed of a catalyst the complete oxidation, which is able to contribute the fuel without excess air to burn relatively low temperatures of 700 - 1000 K. To avoid the Overheating of the granules of the catalyst in the lower part of the fluidized bed, which If a stoichiometric fuel-air mixture is supplied, there is a freely swirling one Zone, in which the speed of the gas flow is significant (2 - 3 times) the speed the beginning of the fluidized bed formation of the catalyst granules exceeds. In this In the zone, the catalytic oxidation of the bulk of the fuel takes place.
Zur Senkung der Temperatur im abschließenden Teil der Schicht und demzufolge auch der Temperatur der Abgase wird im mittleren Teil der Schicht ein spezielles Sektionsgitter angeordnet, das den Wärmeaustausch zwischen den oberen und den unteren Schichtteilen begrenzt. Das ermöglicht, die Temperatur der Abgase auf einem niedrigen Niveau (370 - 500 K) zu halten und dadurch im unteren Teil der Schicht eine optimale Temperaturführung für die katalytische Oxydation des Brennstoffs (670 - 1070 K) zu bewirken.To lower the temperature in the final part of the layer and consequently also the temperature of the exhaust gases will be in the middle part of the layer special sectional grille arranged that the heat exchange between the upper and the lower layer parts. This enables the temperature of the exhaust gases at a low level (370 - 500 K) and thereby in the lower part of the Layer an optimal temperature control for the catalytic oxidation of the fuel (670 - 1070 K).
Hierdurch ermöglichen die niedrige Temperatur der Abgase, hohe Werte (bis 96 %) des Wärmeausnutzungskoeffizienten und die hohe Geschwindigkeit der katalytischen Oxydation, eine hohe Wärmespannung des Arbeitsvolumens und entsprechend geringe Abmessungen der Vorrichtungen zur Verbrennung von Brennstoffen zu erhalten.As a result, the low temperature of the exhaust gases enables high values (up to 96%) of the heat utilization coefficient and the high speed of the catalytic Oxidation, a high thermal tension of the working volume and correspondingly low Obtain dimensions of the devices for burning fuels.
Wie oben erwähnt, ist ein weiteres, nicht wenig wichtiges Problem, das im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens gelöst wird, die Gewinnung von Abgasen, die eine minimale Menge an giftigen Komponenten aufweisen. Zu solchen Komponenten zählen Kohlenmonoxid (CO), Schwefel- und Stickstoffoxide.As mentioned above, another, not unimportant problem is which is solved within the framework of the proposed method, the extraction of exhaust gases, that have a minimal amount of toxic components. To such components include carbon monoxide (CO), sulfur and nitrogen oxides.
1. Die katalytische Oxydation von Kohlenmonoxid zu C02 bei 500 K und darüber hinaus verläuft so intensiv, daß für die vollständige Durchführung dieses Prozesses etwa 1 Volumen des Oxydationskatalysators je 2000 Voluminades zu oxydierenden Gasgemisches in einer Stunde ausreichend ist.1. The catalytic oxidation of carbon monoxide to C02 at 500 K and In addition, it runs so intensely that for the full implementation of this Process about 1 volume of the oxidation catalyst per 2000 Voluminades to be oxidized Gas mixture in one hour is sufficient.
Die Ausscheidung von Kohlenmonoxid mit den Abgasen wird bereits bei minimalem Luftüberschuß vong ~1,02 nicht fixiert.The excretion of carbon monoxide with the exhaust gases is already taking place minimal excess air of g ~ 1.02 not fixed.
2. Die Entwicklung der Verbrennungsprozesse von Brennstoff in der Wirbelschicht eines inerten Wärmeträgers wird hauptsächlich durch die Möglichkeit stimuliert, Schwefel zu nicht flüchtigen Verbindungen zu binden, beispielsweise SO2 + 1/2 02 + MeO - MeS04, wo Me Ca oder Mg ist.2. The development of the combustion processes of fuel in the Fluidized bed of an inert heat transfer medium is mainly due to the possibility stimulates sulfur to bind to non-volatile compounds, for example SO2 + 1/2 02 + MeO - MeS04 where Me is Ca or Mg.
Da für den Verlauf dieser Reaktion ein freies Oxid eines Erdalkalimetalls erforderlich ist, ist für die Durchführung derselben eine Temperatur über 1100 K notwendig, bei der die Ausgangskarbonatverbindungen sich thermisch zersetzen, beispielsweise Bei der katalytischen Oxydation von Brennstoff in dem vorgeschlagenen Temperaturbereich (670 - 1070 K in der unteren Sektion und 420 - 570 K in der oberen Sektion) verläuft die Reaktion SO2 + 1/2 02 r S03 mit großer Intensität und Vollständigkeit und zwar so, daß bereits bei minimalem Gehalt an Sauerstoff in den Abgasen (4 ~1,053 Schwefeldioxid sich vollständig zu Schwefeltrioxid umsetzt.Since a free oxide of an alkaline earth metal is required for this reaction to proceed, a temperature above 1100 K at which the starting carbonate compounds decompose thermally is necessary to carry out this reaction, for example During the catalytic oxidation of fuel in the proposed temperature range (670-1070 K in the lower section and 420-570 K in the upper section), the reaction SO2 + 1/2 02 r S03 proceeds with great intensity and completeness in such a way that Even with a minimal amount of oxygen in the exhaust gases (4 ~ 1.053 sulfur dioxide, it is completely converted into sulfur trioxide.
Dabei erfolgt in der oberen (Tieftemperatur-) Zone der Vorrichtung bei einer Temperatur von etwa 400 K die Kondensation aus Dämpfen der Schwefelsäure an den Teilchen der Wirbelschicht, und die Schwefelsäure kann zu nichtflüchtigen Verbindungen mit Erdalkalimetallen, darunter auch mit Karbonatverbindungen, gebunden werden: Hierdurch wird bei der katalytischen Oxydation von Brennstoffen unter obengenannten Temperaturbedingungen ein vollständiges Auffangen von Schwefeloxiden erreicht, und es ist keine Erhöhung der Temperatur auf 1100 K erforderlich, bei der sich die Karbonate der Erdalkalimetalle zersetzen.In the upper (low-temperature) zone of the device, the condensation of sulfuric acid vapors on the particles of the fluidized bed takes place at a temperature of about 400 K, and the sulfuric acid can be bound to non-volatile compounds with alkaline earth metals, including carbonate compounds: In this way, in the catalytic oxidation of fuels under the above-mentioned temperature conditions, a complete collection of sulfur oxides is achieved, and it is not necessary to increase the temperature to 1100 K, at which the carbonates of the alkaline earth metals decompose.
3. Der Gehalt an Stickstoffoxiden in den Abgasen wird hauptsächlich durch die Temperatur führung des Verbrennungsablaufs des Brennstoffs bestimmt. Unter den im Versuchsmodell herrschenden Bedingungen ist dieser Gehalt ziemlich hoch und übersteigt wesentlich die heutigen Normen. So erreicht der Gehalt an NO bei 1123K und bei&C = 1,1 120 mg/m3 und bei 1323 K 460 mg/m³, während die heutige Norm für die USA den Gehalt an NO mit 100 - 150 ppm (200 - 300 mg/m³) begrenzt. In dem Temperaturbereich, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff und in der Vorrichtung zu seiner Durchführung angewendet wird, übersteigt der Gehalt an Stickstoffoxiden dagegen in der Regel nicht 100 ppm.3. The content of nitrogen oxides in the exhaust gases is mainly determined by the temperature control of the combustion process of the fuel. Under Under the conditions prevailing in the test model, this content is quite high and significantly exceeds today's standards. So the content of NO reaches 1123K and at & C = 1.1 120 mg / m3 and at 1323 K 460 mg / m³, while today's norm for the USA the NO content is limited to 100-150 ppm (200-300 mg / m³). By doing Temperature range in the method according to the invention for the combustion of fuel and is applied in the device for its implementation, the content exceeds in contrast, as a rule, not 100 ppm of nitrogen oxides.
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